一种高集成度电池保护电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及电池保护电路，尤其涉及具有过充电、过放电、过电流时自动切断电池与充电器连接的保护开关管的高集成度电池保护电路。包括一个主开关管，主开关管栅极控制电路，主开关管衬底控制电路，变动对策电路，状态初始化电路，段位变换电路并都集成在同一半导体衬底上。本发明的电池保护方案不但可大大减小方案面积，而且在成本上，既减少了芯片成本，又降低了封装成本，还降低了印刷电路板成本，而且也没有良率成本，实现了真正的低成本高集成度。
【专利说明】一种高集成度电池保护电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及电池保护电路，尤其涉及具有过充电、过放电、过电流时自动切断电池与充电器连接的保护开关管的高集成度电池保护电路。
【背景技术】
[0002]锂电池等二次电池由于过充电、过放电、过电流等异常状态而急剧恶化影响电池寿命。通常通过电池保护装置来保护这些异常状态下对电池的损坏。
[0003]目前的电池保护装置如图1实施例所示，主要是靠传统的电池保护控制芯片092和外接放电开关093和充电开关094的方法来实现。此装置需要I个电池保护控制器092，2个开关管095 (为了减小内阻，通常是两个NMOS管集成在同一芯片内)，2个外接电阻和I个外接电容。此装置需要比较多的外围器件，不但方案面积比较大，而且占用较多的印刷电路板(PCB)，使得PCB成本较高，再加上控制器及2个开关管不在同一个芯片内，需2次封装成本。目前也有部分方案如图2实施例所示，为了降低外围器件数量，减小方案面积，降低总封装成本，用多芯片封装技术将控制器芯片092和2个外围开关管095芯片封装在一起成为一个芯片096。此方案虽然将两次封装减少为一次封装，在一定程度上降低了封装成本，但是两个芯片来自于不同的工艺，不同的厂家，其中任何一个芯片的失效将导致整个产品的失效，即使另一个芯片是良品。因而这种方案增加了良率成本。这种方案虽然方案面积有所降低，但总成本并不一定降低了。
【发明内容】
[0004]鉴于上述问题，本发明目的是提供一种能够保护异常状态下电池损坏的低成本且高集成度的高集成度电池保护电路。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种高集成度电池保护电路，其特征在于:包括一端接电池，一端接负载或充电器的主开关管；根据电池的充电或放电异常来发出断开主开关管信号的主开关管栅极控制电路；具有随着主开关管状态自动切换主开关管衬底电压的主开关管衬底控制电路；用来减少电源变动以及充电器反连接对电池的损坏的变动对策电路；保证高集成度电池保护电路在初始接电池时进入正确的检测状态的状态初始化电路；根据不同电池需求实现OV电池充电或OV电池充电禁止的段位变换电路。
[0006]进一步地:所述主开关管是一个隔离型NMOS管或PMOS管，其衬底与半导体衬底隔离。
[0007]进一步地:所述主开关管、主开关管栅极控制电路、主开关管衬底控制电路、电源变动对策电路、状态初始化电路及段位变换电路均设置在同一半导体衬底上。
[0008]进一步地:所述主开关管栅极控制电路包括基准电压产生电路、过充电检测电路、过放电检测电路、过电流检测电路、内置延迟时间设置电路、短路检测电路、充电器检测电路、电平移动电路和温度保护电路。所述充电器检测电路具有将负电压端子的负电压抬升为正电压，实现正电压间的比较的电压抬升电路。[0009]进一步地:所述主开关管衬底控制电路具有最低电压判断电路、异常状态判断电路、衬底切换开关电路和电平移动电路。
[0010]再进一步地:所述变动对策电路具有连接在所述高集成度电池保护电路外部电压输入源和所述高集成度电池保护电路内部供电电压端的滤波电路，还具有连接在负电压端子和所述高集成度电池保护电路内部负电压检测端的充电器反接保护电路。
[0011 ] 再进一步地:所述状态初始化电路具有在高集成度电池保护电路初始上电时让所述高集成度电池保护电路进入正常的工作状态的上电复位电路。
[0012]再进一步地:所述段位变换电路具有可通过可熔断保险丝编程的O伏电池电压比较电路。
[0013]更进一步地:所述充电器检测电路具有将负电压端子的负电压抬升为正电压，实现正电压间的比较的电压抬升电路。
[0014]本发明涉及高集成度电池保护电路，尤其涉及具有过充电、过放电、过电流时自动切断电池与充电器连接的保护开关管的高集成度电池保护电路，此电路还将过充电开关和过放电开关简化为一个主开关管并且与实现电池保护的其他电路集成于同一半导体衬底上，应用于电池保护方案仅需一个外围器件。如图3所示，控制电路099、主开关管103、电阻Rl和R2集成于同一芯片100。
[0015]本发明图3例可扩展如图四实施例所示，具有:主开关管103，主开关管栅极控制电路101，主开关管衬底控制电路102，变动对策电路098。主开关管栅极控制电路101检测电池的异常状态，发出信号断开所述主开关管103，同时通过主开关衬底控制电路102来自动切换所述主开关管103的衬底偏置。这样一个主开关管103即可取代原有充电开关094和放电开关093，且该主开关管与控制该开关管的栅极控制电路和衬底控制电路置于同一半导体衬底。
[0016]另外，本发明的特征在于具有变动对策电路098减少电源变动以及充电器反连接时对电池的损坏。
[0017]根据本发明在同一半导体衬底上集成所述主开关管103、主开关管栅极控制电路101、主开关管衬底控制电路102、变动对策电路098，在外围只需要接I个电容即可形成电池保护方案。由于本发明将原有的两个开关管095减为一个主开关管103，而且所述主开关管103与其他电路都集成于同一衬底上，芯片面积比传统方案中的控制器芯片加两个开关管的芯片面积大大缩小，最终可封装到一最小封装S0T23-5内甚至更小。不仅如此，由于主开关管的集成使得传统方案中的外围器件Rl，R2也可集成到芯片中，因此最终外围器件只需Cl 一个器件了。大大减小了最终方案面积。在成本上，既因为芯片面积缩小而减少了芯片成本，又因为封装面积缩小而降低了封装成本，而且外围器件的集成使得最终方案面积缩小，从而降低了印刷电路板成本，最后因为主开关管与其他电路都集成于同一半导体衬底上，源于同一制造工艺，不会出现象图2所描述的方案中两个来自不同制造工艺的芯片封装在一起，因为其中任何一个芯片的不良导致整个方案失效的良率成本，实现了真正的低成本高集成度。
[0018]另外一些附加功能:电源变动对策电路可以减少电源变动以及充电器反连接对电池的损坏；状态初始化电路很好的保证所述电池保护在初始接电池时进入正确的检测状态。【专利附图】
【附图说明】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0020]图1是传统电池保护装置一实施方框构成图
[0021]图2是传统电池保护装置另一实施方框构成图
[0022]图3是本发明的电池保护装置一实施方案的方框构成图
[0023]图4是本发明的电池保护装置一实施方案的方框构成图(突出主开关管的控制电路)
[0024]图5是本发明的电池保护装置内部实施例的详细方框构成图
[0025]图6是本发明的段位变换电路实施方框构成图
[0026]图7是本发明的充电检测电路实施方框构成图
[0027]图8是本发明的电池保护装置集成于同一 P型半导体衬底的剖面图(主开关管是隔尚的N型管)
[0028]图9是本发明的电池保护装置集成于同一 P型半导体衬底的剖面图(主开关管是P型管)
[0029]图中:090电池091负载或者充电器092传统的电池保护IC
[0030]093放电开关094充电开关
[0031]095充电开关和放电开关合为一起的合称
[0032]096多芯片封装技术将电池保护IC控制器与充、放电开关封装在一个芯片中
[0033]098变动对策电路
[0034]099控制电路
[0035]100高集成度电池保护电路101主开关管栅极控制电路
[0036]102主开关管衬底控制电路
[0037]111基准电压产生电路112延迟电路113短路检测电路
[0038]114过充检测电路115逻辑电路116过放检测电路
[0039]117过温度检测电路118过电流检测电路119电平移动电路
[0040]120充电检测电路121异常状态检测电路
[0041]122最低电压检测电路123衬底切换开关124电平移动电路
[0042]125充电器反接保护电路126滤波电路127初始化电路
[0043]128段位变换电路129可熔断保险丝130比较器
[0044]21IP型半导体衬底
[0045]225隔离槽
[0046]235深度N型阱
[0047]241用于控制电路的PMOS管的N型衬底阱
[0048]242用于控制电路的NMOS管的P型衬底阱
[0049]243N型主开关管的P型衬底阱
[0050]244P型主开关管的N型衬底阱
[0051]25IP型轻掺杂区
[0052]252N型轻掺杂区[0053]253N型主开关管的源/漏极的N型轻掺杂区
[0054]254P型主开关管的源/漏极的P型轻掺杂区
[0055]26IP型重掺杂区
[0056]262N型重掺杂区
[0057]270 栅极
[0058]271栅极侧墙结构
[0059]275栅极绝缘层
[0060]M1M2 晶体管
【具体实施方式】
[0061]图4是本发明的一实施方案的简化方框构成图。
[0062]在本实施中，通过主开关管栅极控制电路101实施电池的过充电、过放电、过电流等异常状态的检测来发出对主开关管103的断开或者导通的控制。通过衬底控制电路102实现主开关管103的衬底的正确偏置。
[0063]图4中的电池通常是锂离子等二次电池，正电极与正电压端子即所述高集成度电池保护电路100的端子Tl连接，负电极通过主开关管103与负电压端子T4连接。变动对策电路吸收电池电压变动。另外负载或者充电器正电极接Tl，负电极接T4。主开关管103的栅极接主开关管栅极控制电路101，衬底接主开关管衬底控制电路102。
[0064]图5是本发明的一电池保护内部实施例的详细方框构成图
[0065]高集成度电池保护电路100具有主开关管栅极控制电路101、主开关管衬底控制电路102，主开关管103和变动对策电路098构成。其中主开关管栅极控制电路101具有基准电压产生电路111、延迟电路112、短路检测电路113、过充检测电路114、逻辑电路115、过放检测电路116、过温度检测电路117、过电流检测电路118、电平移动电路119、充电检测电路120、初始化电路127、段位变换电路128构成；衬底控制电路102具有异常状态检测电路121、最低电压检测电路122、衬底切换开关123、电平移动电路124构成；变动对策电路098具有充电器反接保护电路125、滤波电路126构成。
[0066]过充检测电路114和过放检测电路116连接于滤波电路126输出电压，检测经过滤波电路的电池输入电压，当输入电压发生异常时，向逻辑电路115发送控制信号来控制主开关103的导通或关断从而保护电池。
[0067]过流检测电路118和短路检测电路113连接于负电压端子T4，检测T4端子的电压比预设的过流电压或者短路电压大时，则判断为电池进入过流或短路状态，向逻辑电路115发送控制信号来控制主开关103的通断从而保护电池。
[0068]充电检测电路120连接于负电压端子T4，一旦T4端子电压比预设的电压小时，则判断出有过大的充电器连接。过流检测电路118、短路检测电路112和充电器检测电路120连接于充电器反接保护电路125，以至于在充电器反接时候负端的异常电压不会造成对端子连接端电路造成损坏。
[0069]延迟电路112连接于逻辑电路115，提供过充电、过放电和过电流等异常保护的延时。逻辑电路115接受过充电、过放电、过电流、短路以及过大充电器连接等异常保护信号，加以合理延时后输出给电平移位电路119控制主开关管103的栅极，从而保护电池。[0070]段位变换电路128连接于逻辑电路115用来允许OV电池充电和OV电池充电禁止。
[0071]异常状态检测电路121接受逻辑电路115的控制信号输出至电平移动电路124，电平移动电路124还接收最低电压检测电路122信号输出，然后输出衬底切换开关123来控制主开关管103的衬底。
[0072]图6是本发明的段位变换电路实施方框构成图。
[0073]连接于电池负端与比较器130的负输入端的可容断保险丝用于控制OV电池充电与禁止。比较器130将检测信号发送逻辑控制电路115。
[0074]图7是本发明的充电检测电路实施方框构成图。
[0075]充电检测电路实为负电压比较检测。T4端子连接于Ml的漏极，M2的源极连接于电池电压，Ml的源极与M2的漏极相连送到比较器130的负端与地电位相比较。当较大充电器连接时，负电压端子T4电压远远低于地电位，Ml和M2的串联组成了电压抬升电路从而实现了负电压的提升。当T4端子电压低于预设的充电器检测电压时，比较器判断出充电器连接。
[0076]图8是本发明的电池保护装置集成于同一半导体衬底的剖面图。以P型半导体衬底211为例，图8中左边的NMOS和PMOS用于设计本发明中所有的控制电路，右边的隔离NMOS开关管用来设计本发明的主开关管。图中各器件之间通过隔离槽225实现表面隔离，形成隔离槽225的方法许多，这里不一一描述。图8中NMOS和PMOS来源于半导体工艺制程中最广泛采用的CMOS工艺。其中NMOS和PMOS都是由栅极，源极，漏极及衬底组成的四端口半导体器件。如图8所示，NMOS和PMOS的栅极270 —般是由掺杂的多晶硅形成，栅极与源/漏极之间有一层栅极绝缘体275 ( 一般是二氧化硅)。在栅极形成过程中通常还会形成一栅极侧墙结构271。NMOS和PMOS是对称的半导体器件，其源极和漏极可以互换。NMOS的源/漏极由N型重掺杂区262和N型轻掺杂区252组成，PMOS的源/漏极由P型重掺杂区261和P型轻掺杂区251组成。NMOS的衬底由P型衬底阱242及注入该P型衬底阱的P型重掺杂区261 (图中未标出)组成，PMOS的衬底由N型衬底阱241及注入该N型衬底阱的N型重掺杂区262 (图中未标出)组成。本发明的控制电路除了由NMOS和PMOS组成夕卜，还可能用到NPN管或PNP管，由于一般的CMOS工艺均含有寄生PNP管或NPN管，在此图中不特别标示出来。图8中所示的主开关管是一隔离型NMOS开关管，也是由栅极，源极，漏极及衬底组成的四端口半导体器件。为了简化工艺，该主开关管的栅极270同用于控制电路的NMOS和PMOS —样由同一道半导体工艺形成。该主开关管与建于同一半导体衬底上的用于控制电路的NMOS最大不同之处在于，其P型衬底阱243通过深度N型阱235与P型半导体衬底211隔离。这样主开关管的衬底可以通过其衬底控制电路在不同情况下切向不同的节点，实现由一个开关管取代两个开关管的功能。该主开关管的源极和漏极也是对称的。为了简化工艺，主开关管的源/漏极可同用于控制电路的NMOS —样也由相同的N型重掺杂区262和N型轻掺杂区252组成。但在电池保护装置应用或仓储过程中，常发生两节电池的正负极反接，这种情况下主开关管漏极和源极之间的电压差将达到两倍电池电压。为了保证这种情况下主开关管能关闭，除了主开关管栅极控制电路需给出关闭栅极的信号外，还要求主开关管的反向击穿电压大于或等于两倍电池电压。当所选用的基准工艺所提供的NMOS击穿电压低于2倍电池电压时，用于主开关管的NMOS与用于控制电路的NMOS相比需要更高的反向击穿电压。为了最简单的实现这一点，可调节主开关管的P型衬底阱243和源/漏极的N型轻掺杂区253，使之与用于控制电路中NMOS管的P型衬底阱242和源/漏极的N型轻掺杂区252不一样。根据不同的基准工艺以及不同应用情况下需要提高多少击穿电压，可以同时调节P型衬底阱243和N型轻掺杂区253或只调节这两者之一来达到提升击穿电压的目的。若两者都需同时调节时，最后所需工艺将增加两道工序，若只需调节两者之一，则最后只需增加一道工序。当所选用的基准工艺所提供的NMOS击穿电压大于或等于2倍电池电压时，则主开关管的P型衬底阱243与用于控制电路的NMOS管的P型衬底阱242相同，主开关管的源/漏极N型轻掺杂区253与控制电路NMOS管源/漏极N型轻掺杂区252相同，这样的话就无需增加任何工序。
[0077]当半导体衬底为P型时，由于PMOS管的N型衬底阱241已经与半导体的P型衬底211隔离，因此也可用PMOS管作为主开关管，如图9所示。当所选用的基准工艺所提供的PMOS击穿电压低于2倍电池电压时，用于主开关管的PMOS与用于控制电路的PMOS相比需要更高的反向击穿电压。为了最简单的实现这一点，可调节P型主开关管的N型衬底阱244和源/漏极的P型轻掺杂区254，使之与用于控制电路中PMOS管的N型衬底阱241和源/漏极的P型轻掺杂区251不一样。根据不同的基准工艺以及不同应用情况下需要提高多少击穿电压，可以同时调节P型主开关管的N型衬底阱244和其P型轻掺杂区254或只需调节这两者之一来达到提升击穿电压的目的。若两者都需同时调节时，最后所需工艺将增加两道工序，若只需调节两者之一，则最后只需增加一道工序。当所选用的基准工艺所提供的PMOS击穿电压大于或等于2倍电池电压时，则P型主开关管的N型衬底阱244与用于控制电路的PMOS管的N型衬底阱241相同，P型主开关管的源/漏极P型轻掺杂区254与控制电路PMOS管源/漏极P型轻掺杂区251相同，这样的话就无需增加任何工序。由于PMOS内阻比NMOS内阻要大许多(一般为2到2.5倍)，用PMOS管作为主开关管要比用隔离的NMOS管占用更大的芯片面积，成本也会相应增加。
[0078]当半导体衬底为N型时，也可按图8及图9类似做出隔离型NMOS管及隔离型PMOS
管，在这不一一累述。
【权利要求】
1.一种高集成度电池保护电路，其特征在于:包括一端接电池，一端接负载或充电器的主开关管；根据电池的充电或放电异常来发出断开主开关管信号的主开关管栅极控制电路；具有随着主开关管状态自动切换主开关管衬底电压的主开关管衬底控制电路；用来减少电源变动以及充电器反连接对电池的损坏的变动对策电路；保证高集成度电池保护电路在初始接电池时进入正确的检测状态的状态初始化电路；根据不同电池需求实现OV电池充电或OV电池充电禁止的段位变换电路。
2.根据权利要求1所述的高集成度电池保护电路，其特征在于:所述主开关管是一个隔离型NMOS管，其衬底与整个半导体芯片衬底隔离。
3.根据权利要求1所述的高集成度电池保护电路，其特征在于:所述主开关管是一个隔离型PMOS管，其衬底与整个半导体衬底隔离。
4.根据权利要求1所述的高集成度电池保护电路，其特征在于:所述主开关管、主开关管栅极控制电路、主开关管衬底控制电路、电源变动对策电路、状态初始化电路及段位变换电路均设置在同一半导体衬底上。
5.根据权利要求1所述的高集成度电池保护电路，其特征在于:所述主开关管栅极控制电路包括基准电压产生电路、过充电检测电路、过放电检测电路、过电流检测电路、内置延迟时间设置电路、短路检测电路、充电器检测电路、电平移动电路和温度保护电路。
6.根据权利要求1所述的高集成度电池保护电路，其特征在于:所述主开关管衬底控制电路具有最低电压判断电路、异常状态判断电路、衬底切换开关电路和电平移动电路。
7.根据权利要求1所述的高集成度电池保护电路，其特征在于:所述变动对策电路具有连接在所述高集成度电池保护电路外部电压输入源和所述高集成度电池保护电路内部供电电压端的滤波电路，还具有连接在负电压端子和所述高集成度电池保护电路内部负电压检测端的充电器反接保护电路。
8.根据权利要求1所述的高集成度电池保护电路，其特征在于:所述状态初始化电路具有在高集成度电池保护电路初始上电时让所述高集成度电池保护电路进入正常的工作状态的上电复位电路。
9.根据权利要求1所述的高集成度电池保护电路，其特征在于:所述段位变换电路具有可通过可熔断保险丝编程的O伏电池电压比较电路。
10.根据权利要求5所述的高集成度电池保护电路，其特征在于:所述充电器检测电路具有将负电压端子的负电压抬升为正电压，实现正电压间的比较的电压抬升电路。
【文档编号】H01M10/42GK103474967SQ201210186294
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年6月7日 优先权日:2012年6月7日
【发明者】谭健, 刘继山 申请人:苏州赛芯电子科技有限公司